Nghiên cứu và xây dựng hệ thống chuẩn xoay chiều tại phòng đo lường điện viện đo lường việt nam

MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn………………………………… ……………… …….… Danh mục bảng ………………………………… …….………….… Danh mục hình vẽ……………………………………… ….………… MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN…….….……… ………………… …….…… 11 1.1 Khái niệm đo lƣờng điện áp xoay chiều 11 1.2 Giới thiệu chuẩn điện áp xoay chiều AC-DC Transfer 15 1.3 Các loại Thermal- Converter 18 1.4 Nguồn gốc giá trị sai lệch AC-DC difference 22 Chƣơng 2: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP DUY TRÌ HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƢỜNG QUỐC GIA ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 28 2.1 Xây dựng quy trình hiệu chuẩn Chuẩn điện áp xoay chiều 28 2.2 Xây dựng phƣơng pháp trì chuẩn 44 Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP DẪN XUẤT HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƢỜNG QUỐC GIA ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 58 3.1 Đặt vấn đề 58 3.2 Xây dựng phƣơng pháp hiệu chuẩn Nguồn chuẩn điện áp xoay chiều 59 (Standard AC Calibrator) 3.3 Xây dựng phƣơng pháp hiệu chuẩn Vôn mét xoay chiều chuẩn (AC Measurement Standard) 66 Chƣơng 4: ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 70 4.1 Đánh giá nội dung thực 70 4.2 Kết luận đề xuất 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới thầy cô giáo Bộ môn Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp - ĐHBK Hà nội đặc biệt GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến, người giúp đỡ tơi nhiều q trình nghiên cứu thực luận văn cho ý kiến q báu q trình thực Tơi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến TS Yaowaret Pimsut – Viện Đo lường Thái Lan (NIMT), người hướng dẫn giúp đỡ tơi nhiệt tình thời gian đào tạo chuẩn đo lường NIMT Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Đo lường Việt Nam, Ơng trưởng phịng Đo lường Điện – VMI tạo điều kiện mặt thời gian kinh phí để tơi theo học khố học 2013-2015 Và cuối xin dành tất lịng biết ơn kính trọng sâu sắc tới cha mẹ, người sinh thành nuôi dưỡng tạo điều kiện cho học tập, nghiên cứu Xin cám ơn gia đình tơi, người bạn ln sát cánh bên tôi, đồng nghiệp quan tâm giúp đỡ thực luận văn Trong khoảng thời gian không dài tơi nỗ lực cố gắng để hồn thành luận văn tốt nghiệp này, song chắn tránh khỏi sai xót Vì vậy, tơi mong bảo, dạy dỗ thày giáo, góp ý chun gia, đồng nghiệp bè bạn để luận văn hoàn thiện DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Ghép nối Thermal Element với Range Resistor 26 Bảng 1.2 Đặc trƣng kỹ thuật chuẩn điện áp xoay chiều HOLT Model 11 27 Bảng 2.1 Chuẩn thiết bị dùng cho hiệu chuẩn 34 Bảng 2.2 Thời gian chờ ổn định đầu thiết bị 36 Bảng 2.3 Bảng tổng hợp thành phần độ KĐB đo cho điểm đo 10V, 1kHz 44 Bảng 2.4 Giá trị AC-DC transfer difference trì 03 TVC 49 Bảng 2.5 So sánh vòng 03 TVC 50 Bảng 2.6 Bảng tính ns nx 53 Bảng 2.7 Bảng tính ACVnew 54 Bảng 2.8 Bảng tính kết hiệu chuẩn 55 Bảng 2.9 Bảng tính độ khơng đảm bảo đo 56 Bảng 3.1 Tìm giá trị điện áp chiều thực DC+ DC- 63 Bảng 3.2 Tìm giá trị đầu Mean ±DCV SJTVC 64 Bảng 3.3 Đầu SJTVC phát điện áp xoay chiều 65 Bảng 3.4 Tính tốn kết đo 65 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Mối quan hệ giá trị biên độ điện áp xoay chiều 14 Hình 1.2 Lịch sử phát triển phƣơng pháp chế tạo chuẩn điện áp xoay chiều 15 Hình 1.3 Cấu tạo Single-Junction Thermal Converter hình ảnh thực tế 19 Hình 1.4 Cấu tạo Multijunction Thermal Converter 20 Hình 1.5 Cấu tạo MJTC cơng nghệ màng mỏng hình ảnh thực tế 21 Hình 1.6 Đặc tính đáp ứng số SJTC MJTC 23 Hình 1.7 Hình ảnh chuẩn đo lƣờng điện áp xoay chiều- Bộ chuẩn hộp bảo quản chuyên dụng; Một Thermal Element Range Resistor 24 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý phƣơng pháp hiệu chuẩn chuẩn điện áp xoay chiều 29 Hình 2.2 Đồ thị đáp ứng vào-ra TVC 30 Hình 2.3 Sơ đồ hiệu chuẩn Chuẩn điện áp xoay chiều 35 Hình 2.4 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn nƣớc tới chuẩn quốc gia 45 Hình 2.5 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn quốc gia nƣớc theo quy hoạch trình Thủ tƣớng phủ phê duyệt 46 Hình 2.6 Sơ đồ đo so sánh vòng giá trị chuẩn điện áp xoay chiều HOLT Model 11 47 Hình 2.7 Minh họa cách so sánh vịng tìm giá trị diff từ chuẩn biết 48 Hình 2.8 Sơ đồ đo so sánh vòng kết nhận đƣợc 49 Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống đo/ hiệu chuẩn hai SJTC đƣợc thiết lập phòng Đo lƣờng điện- Viện đo lƣờng Việt Nam 51 Hình 3.1 Nguồn chuẩn đa Model 5720A hãng FLUKE- USA 59 Hình 3.2 Sơ đồ mạch tìm giá trị điện áp chiều thực DC+ DC- 63 Hình 3.3 Sơ đồ mạch Hiệu chuẩn giá trị phát Điện áp xoay chiều nguồn chuẩn 64 Hình 3.4 Vơn mét xoay chiều chuẩn FLUKE 5790A 67 Hình 3.5 Sơ đồ hiệu chuẩn Vôn mét xoay chiều chuẩn 68 MỞ ĐẦU Đo lƣờng với tƣ cách khoa học đa ngành liên ngành đã, tiếp tục có ảnh hƣởng sâu sắc đến nhiều mặt xã hội Đo lƣờng đƣợc hình thành phát triển từ u cầu có tính khoa học, xã hội thƣơng mại Các phƣơng pháp đo lƣờng với độ xác cao góp phần đảm bảo tính lành mạnh thƣơng mại địa phƣơng quốc tế, bảo vệ quyền lợi đa bên cộng đồng nhà sản xuất ngƣời tiêu dùng Bên cạnh đó, địi hỏi khoa học khắt khe thúc đẩy vai trị đo lƣờng khía cạnh phục vụ phát triển nhân loại đóng góp mạnh mẽ vào cơng tìm hiểu, khám phá giới tự nhiên lồi ngƣời Rõ ràng khơng có đòi hỏi cao đo lƣờng cơng nghiệp vi điện tử khơng thể tiếp tục thu nhỏ kích thƣớc “chip”, tƣơng tự, công nghệ dẫn đƣờng tốt đo áp lực tốt dẫn tới định đƣờng bay quốc tế trở nên tốt hơn, giúp động hoạt động hiệu hơn, qua tiết kiệm đƣợc nhiên liệu cải thiện chi phí cơng nghiệp Cơng nghiệp với cơng nghệ nano địi hỏi kỹ thuật đo lƣờng bề mặt tốt xác khoảng cách cỡ nano Steven Chu, ngƣời nhận giải Nobel nói: “Đo lƣờng xác nằm trái tim vật lý, theo kinh nghiệm tôi, vật lý đại số thập phân tiếp theo” Từ cuối kỷ XIX, nƣớc công nghiệp xây dựng viện đo lƣờng Quốc gia, nói chung dựa mơ hình Viện vật lý kỹ thuật Hoàng gia Đức đƣợc xây dựng năm 1887 Lợi ích kinh tế Viện quốc gia nhƣ hầu nhƣ đƣợc thừa nhận Ở Anh, hội tiến khoa học nƣớc Anh khẳng định khơng có viện quốc gia tập trung vào đo lƣờng khả cạnh tranh công nghiệp nƣớc Anh trở nên yếu kém, sau Anh thành lập Phịng thí nghiệm Vật lý quốc gia (NPL) năm 1900, sau Mỹ thành lập Cục tiêu chuẩn quốc gia (NBS) năm 1901 Cho đến ngày nay, hầu hết quốc gia giới có Viện đo lƣờng quan chuyên trách đo lƣờng, với hai nhiệm vụ sứ mệnh là: thỏa mãn nhu cầu cơng nghiệp đo lƣờng xác qua việc tiêu chuẩn hóa hiệu chuẩn- kiểm định phƣơng tiện đo; đồng thời xác định số vật lý để cải thiện phát triển hệ SI Hệ SI đời năm 1960 với mong muốn tạo thành hệ thống đơn vị đo lƣờng đại lƣợng; định nghĩa đơn vị; hình thành bội số ƣớc số Việc thực đơn vị hệ phải đảm bảo đƣợc yếu tố: Đảm bảo đơn vị khơng thay đổi theo thời gian tái tạo lại đƣợc; Đƣợc tái tạo nơi giới; chuyển giao cho ngƣời sử dụng mà sai số không đáng kể hệ SI ban đầu dựa đại lƣợng (khối lƣợng, độ dài, thời gian, dòng điện, nhiệt độ nhiệt động lực cƣờng độ sáng), sau “lƣợng chất”- mole đƣợc bổ xung vào năm 1971 Ƣu hệ SI gần nhƣ tất đại lƣợng vật lý hóa học diễn đạt tổ hợp đơn vị SI Để phép đo đƣợc thực đúng, trƣớc tiên phƣơng tiện đo phải đƣợc đảm bảo xác tin cậy Hiệu chuẩn kiểm định phƣơng tiện đo hoạt động đo lƣờng quan trọng đồng thời hữu hiệu để đạt đƣợc tiêu chí Trong đo lƣờng công nghiệp công tác hiệu chuẩn thƣờng xuyên phƣơng tiện đo, đo lƣờng pháp định công tác kiểm định định kỳ phƣơng tiện đo theo quy định VIM:2007 định nghĩa hiệu chuẩn nhƣ sau: Hiệu chuẩn hoạt động điều kiện quy định, bƣớc thứ thiết lập mối quan hệ giá trị đại lƣợng có độ không đảm bảo đo chuẩn đo lƣờng cung cấp số tƣơng ứng với độ không đảm bảo đo kèm theo, bƣớc thứ hai sử dụng thông tin thiết lập mối liên hệ để nhận đƣợc kết đo từ số Nhƣ phép hiệu chuẩn đƣợc thực để đƣa tuyên bố đắn kết đo đƣợc thực phƣơng tiện đo đƣợc dẫn xuất đo lƣờng từ chuẩn đo lƣờng có độ xác cao Nói cách đơn giản hơn, hiệu chuẩn tập hợp thao tác điều kiện quy định để thiết lập mối quan hệ giá trị đại lƣợng đƣợc phƣơng tiện đo giá trị tƣơng ứng thể chuẩn đo lƣờng Giấy chứng nhận hiệu chuẩn phƣơng tiện đo đƣa sai lệch số hiệu số đo với độ khơng đảm bảo đo Tập hợp giá trị đặc trƣng cho mối liên hệ kết đo với đơn vị đo tƣơng ứng Theo ISO/IEC Guide 99:2007 thì: Chuẩn đo lường (measurement standards) thể định nghĩa đại lượng cho, với giá trị đại lượng công bố độ không đảm bảo đo kèm theo, dùng làm mốc quy chiếu Chuẩn đo lƣờng thể cụ thể độ lớn đơn vị đo lƣờng theo định nghĩa đơn vị; Chuẩn đo lường quốc gia (national measurement standards) chuẩn cơng nhận quan có thẩm quyền quốc gia để dùng nước kinh tế sở cho việc ấn định giá trị đại lượng cho chuẩn đo lường khác loại đại lượng có liên quan” Nhƣ vậy, phạm vi nƣớc, chuẩn đo lƣờng quốc gia vị trí cao nhất, xuất phát điểm cho độ xác tất phép đo lĩnh vực đo lƣờng Theo nội dung Quyết định số 1361/QĐ-TTg Thủ tƣớng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch phát triển chuẩn đo lƣờng quốc gia đến năm 2020, với mục tiêu phát triển chuẩn đo lƣờng quốc gia theo hƣớng đại, đạt trình độ nƣớc tiên tiến khu vực, đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế- xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng hội nhập quốc tế, giai đoạn từ 2013-2015 phát triển, mở rộng phạm vi đo lƣờng 13 chuẩn đo lƣờng quốc gia đƣợc phê duyệt đầu tƣ 12 chuẩn đo lƣờng quốc gia có Chuẩn đo lƣờng điện áp xoay chiều Với nhiệm vụ đƣợc giao đó, phịng Đo lƣờng điện viện đo lƣờng Việt Nam đầu tƣ nghiên cứu xây dựng hệ thống chuẩn đo lƣờng quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều với mục tiêu hoàn thành tốt yêu cầu đƣợc giao Đây nội dung luận văn tốt nghiệp tơi Luận văn bao gồm chƣơng Chƣơng 1: Tổng quan trình bày khái niệm điện áp xoay chiều, giới thiệu chuẩn điện áp xoay chiều AC-DC transfer, chuẩn đƣợc Viện đo lƣờng Việt Nam lựa chọn đầu tƣ trang bị để lập hồ sơ xin công nhận làm Chuẩn quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều Chƣơng 2: Nghiên cứu xây dựng phương pháp trì hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều đƣa nghiên cứu chi tiết từ tiến tới xây dựng hoàn chỉnh phƣơng pháp đo/ hiệu chuẩn chuẩn điện áp xoay chiều, công cụ cốt lõi để thực thao tác đo, đánh giá để so sánh vịng giá trị nhóm chuẩn nhằm trì giá trị chuẩn điện áp xoay chiều Chƣơng 3: Nghiên cứu xây dựng phương pháp dẫn xuất từ hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều xuống chuẩn điện áp xoay chiều đƣa phƣơng pháp hiệu chuẩn chuẩn điện áp xoay chiều chuẩn phịng thí nghiệm lớn nƣớc Nguồn điện áp chuẩn xoay chiều vôn mét xoay chiều chuẩn, sử dụng chuẩn đo lƣờng quốc gia điện áp xoay chiều Chƣơng 4: Đánh giá, kết luận đề xuất trình bày kết việc nghiên cứu, xây dựng đánh giá phƣơng pháp, đƣa hƣớng phát triển đề tài; đồng thời đƣa kiến nghị cụ thể cho định hƣớng phát triển chuẩn đo lƣờng quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều giai đoạn 10 Chƣơng NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP DẪN XUẤT HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƢỜNG QUỐC GIA ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU Sau xây dựng đƣợc hệ thống chuẩn có quy trình đo- hiệu chuẩn để trì đƣợc giá trị chuẩn nội dung quan trọng cần xây dựng phƣơng pháp để dẫn xuất giá trị chuẩn điện áp xoay chiều xuống chuẩn phƣơng tiện đo có độ xác thấp 3.1 Đặt vấn đề Hiện Việt Nam có khoảng 50 phịng thí nghiệm, hiệu chuẩn điện đƣợc cơng nhận phịng thí nghiệm đạt tiêu chuẩn ISO-IEC 17025, có chức cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn chuẩn phƣơng tiện đo, thiết bị đo lƣờng thử nghiệm điện tất lĩnh vực Cơng nghiệp- Nơng nghiệp- Quốc phịng Chuẩn phịng thí nghiệm cần thiết phải đƣợc liên kết chuẩn tới chuẩn Quốc gia chuẩn quốc tế tất đại lƣợng Do yêu cầu chƣơng đặt cần xây dựng đƣợc đầy đủ phƣơng pháp để truyền giá trị chuẩn quốc gia điện áp xoay chiều xuống tới loại chuẩn phƣơng tiện đo phịng thí nghiệm nƣớc Để giải yêu cầu phân tích nhận thấy chuẩn phịng thí nghiệm điện, có liên quan tới đại lƣợng điện áp xoay chiều nằm hai nhóm chuẩn, là: Nguồn chuẩn đa (Multifunction Calibrator) Vôn mét xoay chiều chuẩn (AC Measurement Standard) Do phƣơng pháp để dẫn xuất giá trị chuẩn đo lƣờng Quốc gia điện áp xoay chiều phƣơng pháp Hiệu chuẩn Nguồn chuẩn đa năng- chức điện áp xoay chiều Hiệu chuẩn Vôn mét xoay chiều chuẩn Thông qua việc hiệu chuẩn, giá trị chuẩn điện áp xoay chiều đƣợc kết nối xuống tới giá 58 trị thực Nguồn chuẩn đa hay Máy đo độ xác cao phịng thí nghiệm 3.2 Xây dựng phƣơng pháp hiệu chuẩn Nguồn chuẩn điện áp xoay chiều (Standard AC Calibrator) Nguồn chuẩn đa thiết bị hiệu chuẩn đáp ứng hầu hết tất nhu cầu hiệu chuẩn cho phƣơng tiện thiết bị đo điện công nghiệp Nhƣ tên gọi nó, thiết bị, nguồn chuẩn đa có khả phát giá trị chuẩn nhiều đại lƣợng nhƣ điện áp chiều, điện áp xoay chiều, dòng điện chiều, dòng điện xoay chiều, điện trở, điện dung Bất kỳ phịng thí nghiệm hiệu chuẩn điện cần trang bị cho nguồn chuẩn đa Bằng cách định kỳ gửi nguồn chuẩn đa tới viện đo lƣờng quốc gia gửi Quốc tế hiệu chuẩn, giá trị phát nguồn chuẩn đa đƣợc dẫn xuất tới giá trị chuẩn quốc gia/ quốc tế sau phịng thí nghiệm dẫn xuất giá trị xuống tới thiết bị đo khách hàng thông qua việc dùng nguồn chuẩn đa để hiệu chuẩn cho thiết bị đo Hình dƣới mơ tả nguồn chuẩn đa đƣợc sử dụng hầu hết phịng thí nghiệm chuẩn điện giới đặc trƣng kỹ thuật Hình 3.1 Nguồn chuẩn đa Model 5720A hãng FLUKE- USA 59 Phát điện áp chiều: (0  ±1100) V; độ xác bản: ± ppm Phát điện áp xoay chiều: (0,22 V  1100) V, tần số 10 Hz tới MHz; độ xác bản: ± 75 ppm Phát điện trở: (0  100) M Độ xác bản: ± 12 ppm Phát dòng điện chiều (0  ±2,2) A Độ xác bản: ± 50 ppm Phát dịng điện xoay chiều (9 A  ±2,2) A, tần số 10 Hz tới 10 kHz Độ xác bản: ± 140 ppm Để hiệu chuẩn nguồn chuẩn điện áp xoay chiều Nguồn chuẩn đa có chức phát điện áp xoay chiều chuẩn, cần phải sử dụng tới Chuẩn điện áp xoay chiều (Thermal Voltage Converter- TVC) để kết nối độ xác giá trị phát nguồn tới giá trị điện áp chiều chuẩn (tức Chuẩn quốc gia điện áp chiều), thông qua TVC Trong trƣờng hợp hiệu chuẩn UUT nguồn chuẩn điện áp xoay chiều, nguồn khơng có khả phát điện áp chiều chuẩn cần nguồn chuẩn điện áp chiều bên sử dụng sơ đồ hai nguồn nhƣ đề cập Trƣờng hợp UUT nguồn chuẩn đa có chức phát điện áp chiều chuẩn đơn giản hơn, trƣớc hết ta cần hiệu chuẩn chức phát điện áp chiều chuẩn nguồn để tìm giá trị thật điểm điện áp chiều danh nghĩa (cả DC+ DC-) mà nguồn phát Sau đó, lần lƣợt cấp giá trị điện áp chiều dƣơng DC+, điện áp xoay chiều điểm tần số cần hiệu chuẩn, điện áp chiều âm DC- vào Thermal Converter để ghi nhận đƣợc điện áp đầu TVC lần lƣợt EDC (là trung bình cộng hai giá trị EDC+ EDC-) EAC Khi ta tính đƣợc xác giá trị thật điện áp xoay chiều mà nguồn phát theo công thức: ( ) (3.1) 60 Trong Vdc giá trị thật điện áp chiều danh nghĩa mà nguồn chuẩn phát theo hai chiều dƣơng âm ( ( | |) ) (3.2); n s đặc tính đáp ứng chuyển đổi giá trị Sai lệch chuyển đổi AC-DC difference thân TVC ta sử dụng, giá trị tìm đƣợc trƣớc cách hiệu chuẩn TVC theo phƣơng pháp đề cập tới Chƣơng Biểu thức cho thấy rõ ý nghĩa chuẩn điện áp xoay chiều TVC: Giá trị điện áp chiều giá trị gốc, có độ xác cao độ không đảm bảo đo tốt hơn, giá trị điện áp xoay chiều đƣợc xác định dựa giá trị điện áp chiều này, thông qua công cụ chuyển đổi TVC, mà chuẩn điện áp xoay chiều hay đƣợc gọi với tên khác Voltage Transfer Standard 3.2.1 Phƣơng pháp hiệu chuẩn tóm tắt: a Chuẩn bị hiệu chuẩn : - Chuẩn thiết bị phụ trợ : + Chuẩn Quốc gia điện áp xoay chiều DC Standard FLUKE 7000N Chuẩn điện áp xoay chiều FLUKE 732B + Phân áp chuẩn Reference Divider FLUKE 752A đƣợc hiệu chuẩn trƣớc sử dụng + Máy đo vạn chuẩn Reference Multimeter FLUKE 8508A + Bộ chuẩn điện áp xoay chiều Single Junction Thermal Converter HOLT Model 11 + Các cáp nối, đầu đo phù hợp với thiết bị - Đối tƣợng hiệu chuẩn (UUT): Nguồn chuẩn đa năng, hiệu chuẩn chức phát điện áp xoay chiều điểm tần số từ 10 Hz tới 100 kHz/ 1MHz - Các Chuẩn UUT đƣợc đặt bật máy môi trƣờng phòng hiệu chuẩn: nhiệt độ: (23±3)C; độ ẩm: (60±10) %RH 12 h b Tiến hành hiệu chuẩn: 61 Với điểm điện áp danh nghĩa cần hiệu chuẩn, thực bƣớc sau: (Dƣới ví dụ cụ thể cho điểm điện áp 2V) - Xác định giá trị thật điện áp chiều (DCVknown): Mắc mạch nhƣ sơ đồ hình 3.2 Máy đo vạn FLUKE 8508A chạy chế độ so sánh chuẩn Điện áp chiều phát từ nguồn chuẩn đa (chƣa biết giá trị thực) đƣợc đặt vào kênh FRONT INPUT, điện áp Chuẩn chiều (đã biết giá trị thực) đƣợc đƣa qua phân áp chuẩn FLUKE 752A đƣa vào kênh REAR INPUT máy đo Hai điện áp đƣợc máy đo vạn đo so sánh với nhau, sau giá trị điện áp mà nguồn chuẩn phát đƣợc tính theo cơng thức sau: (3.3) Trong đó: Vx giá trị phát nguồn chuẩn đa (cần tìm) r giá trị tỷ lệ điện áp máy đo vạn kDIV hệ số tỷ lệ phân áp chuẩn Vs giá trị thực điện áp Chuẩn chiều (cho giấy chứng nhận hiệu chuẩn Chuẩn điện áp chiều) 62 Hình 3.2 Sơ đồ mạch tìm giá trị điện áp chiều thực DC+ DCBước Thiết lập Phân áp chuẩn máy đo vạn chuẩn thông số phù hợp với điểm điện áp hiệu chuẩn Lần lƣợt phát giá trị DC+ DC- từ Nguồn chuẩn đa tính giá trị thực phát nguồn (thực lần) Dƣới ví dụ cho điểm +2V -2V Giá trị thực phát nguồn giá trị Know Value bảng, trung bình trị tuyệt đối hai giá trị DC+ DC- ta đƣợc giá trị VKnown Value AVG Setting out (V) 2.000000 -2.000000 Reading Value (DC V) Mean 1.999995 1.999995 1.999996 1.999996 1.999996 1.999996 -2.000000 -2.000001 -2.000001 -2.000000 -2.000000 -2.000000 Delta = GTDDMean Known Value 0.000004 2.000004 0.000000 -2.000000 Known Value AVG 2.000002 Bảng 3.1 Tìm giá trị điện áp chiều thực DC+ DC- 63 Bước Mắc mạch hiệu chuẩn nhƣ sơ đồ hình 3.3 Đầu nguồn chuẩn đa đƣợc nối tới đầu vào Bộ Single Junction Thermal Voltage Converter Cấu hình SJTVC đƣợc chọn cho phù hợp với giá trị điện áp thực Hình 3.3 Sơ đồ mạch Hiệu chuẩn giá trị phát Điện áp xoay chiều nguồn chuẩn Lần lƣợt phát hai giá trị thực DC+ DC- tìm đƣợc bƣớc vào SJTVC, ghi lại giá trị điện áp đầu SJTVC (là số đọc máy đo vạn năng) (thực lần), tính trung bình tất giá trị (VMean ±DCV) Dƣới ví dụ bảng tính cho điểm hiệu chuẩn 2V Setting out (V) 2.000004 -2.000000 Mean value Reading Value (DC V) 1.6952785 1.6952774 1.6952761 1.6952758 1.6952752 1.6952766 1.6952715 1.6952720 1.6952726 1.6952731 1.6952740 1.6952726 Mean ±DCV 1.6952746 Bảng 3.2 Tìm giá trị đầu Mean ±DCV SJTVC Bước Phát giá trị điện áp xoay chiều với tần số danh nghĩa cần hiệu chuẩn vào SJTVC, ghi lại giá trị điện áp đầu SJTVC (là số đọc máy đo vạn năng) (thực lần) Dƣới ví dụ bảng tính cho điểm hiệu chuẩn 2V, tần số kHz 64 Setting out (V, kHz) 2.000000 Reading Value (DC V) 1.6952773 1.6952778 1.6952781 1.6952768 1.6952776 Bảng 3.3 Đầu SJTVC phát điện áp xoay chiều Bước Tính tốn giá trị AC-DC difference m điểm hiệu chuẩn theo công thức: ( ) (3.4) Trong Vac giá trị đầu SJTVC phát điện áp xoay chiều vừa tìm đƣợc Bƣớc 3; VMean±DCV tìm đƣợc Bƣớc ns hệ số đặc tính đáp ứng chuyển đổi vào-ra SJTVC tìm đƣợc từ trƣớc đƣợc cho kết hiệu chuẩn chuẩn Bước Tính giá trị thực điện áp xoay chiều nguồn phát ra, sử dụng công thức nêu phần đầu chƣơng: ( )⁄ ( ) (3.5) Trong s (đơn vị ppm) giá trị AC-DC difference thân chuẩn SJTVC, đƣợc cho giấy chứng nhận hiệu chuẩn chuẩn Các giá trị Vknow Value AVG (đơn vị vơn ) m (đơn vị ppm) tìm đƣợc từ bƣớc Dƣới ví dụ bảng tính cho điểm hiệu chuẩn 2V, tần số kHz From certificate 2V, kHz Setting out (V, kHz) 2.000000 1.999996 AC-DC Diff uV/V s Uncertainty uV/V -4.5 Calculated Value (V) 1.999996 1.999997 Mean value 1.999997 Bảng 3.4 Tính tốn kết đo 65 1.999997 1.999996 Nhƣ giá trị thực nguồn chuẩn đa phát giá trị danh nghĩa 2V, kHz 1,999996 V, kHz Nhờ phƣơng pháp ta dẫn xuất đƣợc giá trị chuẩn điện áp xoay chiều xuống tới Nguồn chuẩn phát điện áp xoay chiều cách tìm giá trị phát thật nguồn 3.2.2 Đánh giá độ không đảm bảo đo phƣơng pháp : Với phƣơng pháp ta có có số thành phần độ khơng đảm bảo đo đƣợc tóm lƣợc nhƣ sau: + Thành phần độ không đảm bảo đo loại A ( phân tán kết quan trắc lần đo, tính cho giá trị tính tốn cuối Bƣớc 5) + Các thành phần độ không đảm bảo đo loại B: - Do độ xác chuẩn Reference Multimeter - Do độ trôi ngắn hạn giá trị chuẩn điện áp chiều - Độ không đảm bảo đo Phân áp chuẩn Fluke 752A - Độ không đảm bảo đo Chuẩn SJTVC - Độ không đảm bảo đo máy đo vạn đo điện áp SJTVC - Độ không đảm bảo đo thành phần Connector dây nối gây + Độ khơng đảm bảo đo tổng hợp tổng bình phƣơng độ không đảm bảo đo thành phần Độ không đảm bảo đo mở rộng Độ không đảm bảo đo tổng hợp nhân với hệ số phủ k=2 (xác suất tin cậy 95,45%) 3.3 Xây dựng phƣơng pháp hiệu chuẩn Vôn mét xoay chiều chuẩn (AC Measurement Standard) 3.3.1 Giới thiệu vôn mét xoay chiều chuẩn Vôn mét xoay chiều chuẩn (tiêu biểu model FLUKE 5790A hãng FLUKEUSA) thiết bị tổng hợp hệ thống đo điện áp xoay chiều tự động bên trong, với chuyển đổi AC-DC transfer dạng RMS Sensor nhƣ giới thiệu phần trƣớc, 66 với hệ vi xử lý phần mềm cho phép tự động đo, tính tốn hiển thị trực tiếp giá trị hiệu dụng RMS điện áp đặt vào Thiết kế giúp cho FLUKE 5790A có đƣợc độ xác ngang với Thermal Converter nhƣng lại dễ sử dụng nhƣ máy đo vạn thông thƣờng Vì điều mà Fluke 5790A đƣợc sử dụng nhƣ chuẩn điện áp xoay chiều phịng thí nghiệm dƣới mức phịng thí nghiệm quốc gia Do Vôn mét xoay chiều chuẩn cần đƣợc liên kết trực tiếp tới chuẩn quốc gia điện áp xoay chiều Dƣới số đặc trƣng kỹ thuật Vơn mét xoay chiều chuẩn FLUKE 5790A Thang đo điện áp: 700 mV tới 1000 V Dải tần số: 10 Hz tới MHz Độ xác bản: ± 24 ppm Hình 3.4 Vơn mét xoay chiều chuẩn FLUKE 5790A 3.3.2 Phƣơng pháp hiệu chuẩn Vôn mét xoay chiều chuẩn Do vôn mét xoay chiều chuẩn có đặc điểm Thermal Converter lại hiển thị đƣợc trực tiếp giá trị đo nên xây dựng sơ đồ hiệu chuẩn Vôn mét xoay chiều chuẩn giống nhƣ hiệu chuẩn Thermal Voltage Converter nhƣng khơng có thành phần vôn mét DVM đo điện áp UUC, mà thay vào giá trị đầu đƣợc đọc trực tiếp UUC Chuẩn đƣợc sử dụng chuẩn quốc gia điện áp xoay chiều nên cần vôn mét DVM để đọc điện áp chuẩn 67 Về phƣơng pháp hiệu chuẩn Vôn mét xoay chiều chuẩn giống nhƣ phƣơng pháp hiệu chuẩn Thermal Voltage Converter nhƣ trình bày Chƣơng 2, tóm lƣợc lại nhƣ sau: - Mắc mạch nhƣ sơ đồ hình 3.5 Chọn cấu hình SJTVC phù hợp với điện áp cần hiệu chuẩn Lần lƣợt hiệu chuẩn hết thang đo vôn mét xoay chiều chuẩn (UUC) Hình 3.5 Sơ đồ hiệu chuẩn Vơn mét xoay chiều chuẩn Với điểm hiệu chuẩn thực bƣớc sau: - Bước Tìm hệ số đặc tính đáp ứng chuyển đổi Chuẩn (ns) UUC (nx): + Lần lƣợt đặt vào chuẩn UUC điện áp chiều 0,995 1,005 lần giá trị điện áp cần hiệu chuẩn Ghi lại giá trị đầu Chuẩn (trên máy đo vạn năng) UUC (đọc trực tiếp UUC) Vout(0.995) Vout(1.005) Sau tính hệ số ns, nx theo công thức sau: 68 - ( ) ( ) ( ) ( ) ⁄ ( ) ( ) ( ) ( ) (3.6) Bước Tìm giá trị điện áp xoay chiều thực ACVnew cách: Cấp vào giá trị điện áp chiều chuẩn dƣơng +DCV âm –DCV, ghi lại giá trị đầu trung bình Chuẩn hai trƣờng hợp Sau cấp điện áp xoay chiều với tần số cần hiệu chuẩn vào chuẩn, quan sát đầu chuẩn thay đổi từ từ giá trị điện áp xoay chiều cho đầu chuẩn đạt gần với giá trị trung bình cấp điện áp chiều vừa tìm đƣợc Giá trị điện áp xoay chiều sau chỉnh ACVnew - Bước Tính giá trị AC-DC Transfer difference UUC(x ) điểm điện áp hiệu chuẩn Lần lƣợt cấp vào chuẩn UUC điện áp theo trình tự: ACVnew , +DCV, ACVnew, -DCV, ACVnew Ghi nhận giá trị đầu Chuẩn Vs-ac, Vs-dc UUC Vx-ac, Vx-dc Sau tính giá trị diff theo công thức: ( ) (3.7) Kết hiệu chuẩn đại điểm điện áp thực giá trị AC-DC Transfer difference UUC: x =diff + s Trong s giá trị AC-DC Transfer difference Chuẩn SJTVC đƣợc cho giấy chứng nhận hiệu chuẩn Chuẩn Giá trị kết hiệu chuẩn x Vơn mét xoay chiều đƣợc phịng thí nghiệm dƣới cấp Viện đo lƣờng sử dụng họ dùng vôn mét xoay chiều làm chuẩn để hiệu chuẩn nguồn xoay chiều/ máy đo điện áp xoay chiều khác Đây ý nghĩa việc dẫn xuất giá trị chuẩn quốc gia điện áp xoay chiều xuống tới chuẩn phƣơng tiện đo cấp thấp hơn, đảm bảo tính liên kết chuẩn liên tục từ cấp thấp lên tới cấp chuẩn quốc gia 69 Chƣơng ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 4.1 Đánh giá nội dung thực Nội dung luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng phƣơng pháp trì hệ thống chuẩn đo lƣờng quốc gia điện áp xoay chiều, xây dựng phƣơng pháp dẫn xuất từ chuẩn quốc gia xuống chuẩn điện áp xoay chiều sử dụng phòng đo lƣờng điện trung tâm kỹ thuật, chi cục tiêu chuẩn đo lƣờng chất lƣợng đơn vị tổ chức cá nhân nƣớc, để hoàn thiện hồ sơ xin công nhận Chuẩn quốc gia điện áp xoay chiều Viện đo lƣờng Việt Nam theo nhiệm vụ đƣợc giao Quy hoạch phát triển chuẩn đo lƣờng quốc gia đến năm 2020 Thủ tƣớng Chính phủ Bám sát vào nội dung yêu cầu nhiệm vụ, nghiên cứu đề xuất phƣơng pháp quy trình kỹ thuật cần xây dựng để thực công việc Những nội dung cụ thể đƣợc trình bày chi tiết chƣơng trƣớc Do đặc điểm Bộ chuẩn SJTVC Holt Model 11 vừa đƣợc trang bị nên khơng có điều kiện đo lấy số liệu thời gian dài (nhiều năm) để tổng hợp đánh giá việc trì giá trị chuẩn nhƣ đánh giá dự báo độ trôi giá trị chuẩn đƣợc Tuy nhiên cơng việc Phịng đo lƣờng điện định hƣớng trƣớc mắt cần thực chuẩn Các kết đo đánh giá ban đầu giá trị chuẩn (AC-DC transfer difference) đƣợc so sánh với thông số kỹ thuật kết hiệu chuẩn theo giấy chứng nhận hiệu chuẩn chuẩn tốt phù hợp, điều khẳng định đƣợc tính đắn hợp lý phƣơng pháp, quy trình đo/ hiệu chuẩn lập Tuy nhiên từ công việc thực đƣợc đề xuất yêu cầu định hƣớng phát triển cho đề tài là: nghiên cứu xây dựng cải tiến 70 hệ thống hiệu chuẩn, dẫn xuất chuẩn quốc gia điện áp xoay chiều theo hƣớng thiết kế đo tự động, sử dụng phần mềm máy tính làm cơng cụ điều khiển đọc, lƣu, tính tốn xử lý số liệu Lợi ích việc tự động hóa hệ thống đo/ hiệu chuẩn là: Thứ giúp tăng thời gian làm việc, rút ngắn thời gian đợi hiệu chuẩn khách hàng hệ thống chạy liên tục ngồi làm việc hành Thứ hai nâng cao tính xác tin cậy cho kết đo không cần quan trắc lấy số liệu thời gian dài hiệu chuẩn viên nữa, phần mềm máy tính lấy mẫu liên tục thực tính trung bình cộng giá trị quan trắc hiệu Bên cạnh việc hiệu chuẩn viên khơng ngồi điều khiển quan sát lấy số liệu cạnh thiết bị chuẩn giúp giảm đáng kể nguồn nhiễu nhiệt nhiễu xạ điện từ từ thể hiệu chuẩn viên ảnh hƣởng tới kết phép đo, phép đo hiệu chuẩn điện áp xoay chiều thực mức điện áp thấp (< mV) nên nguồn nhiễu dù nhỏ dễ dàng ảnh hƣởng lên kết phép đo ta khơng có biện pháp kiểm sốt tốt 4.2 Kết luận đề xuất Những nội dung thực đƣợc trình bày đề tài đầy đủ để áp dụng triển khai xây dựng hệ thống thực tế, bên cạnh nội dung đầy đủ để lập hồ sơ xin công nhận chuẩn quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều đƣợc Viện đo lƣờng Việt Nam xúc tiến thực vào cuối năm (2015) Sau hồn thiện hệ thống chuẩn xong chúng tơi đƣa hai đề xuất Thứ xin trang bị thêm từ đến hai chuẩn điện áp xoay chiều để phục vụ việc trì chuẩn theo nhiều nhóm nâng cao độ xác độ tin cậy giá trị chuẩn quốc gia lên nhiều Đề xuất thứ hai là: Nghiên cứu xây dựng hệ thống đo/ hiệu chuẩn dẫn xuất chuẩn đo lƣờng quốc gia điện áp xoay chiều thực tự động phần mềm máy tính, hy vọng tƣơng lai gần Viện đo lƣờng Việt Nam hoàn thiện đƣợc hệ thống 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO J.R Kinard (2006), AC-DC Thermal Transfer Instrument F.L HERMACH, E.S WILLIAMS (1966), Thermal converter for Audio- Frequency Voltage Measurement of High Accuracy E.S.WILLIAMS (1971), Thermal Voltage Converters and Comparator for Very Accurate AC Voltage Measurement Thomas E Lipe (2004), Operation and Reference Manual for the NIST Automated AC-DC Calibration Systems and Software H Sasaki, V Bubanja, S Kiryu (2000) Evaluation of AC-DC difference of thermal converters Hitoshi Sasaki, Kunihiko Takahashi (2011) Development of a High- Precision AC-DC Transfer Standard Using The Fast-Reversed DC Method JCGM (2008), “Evaluation of Measurement data-Guide to expression of Uncertainty in Measurement”, Working Group of the Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM/WG 1) Understanding and Expressing Measurement Uncertainty associated with DC and Low Frequency Metrology FLUKE Coporation, (2000), FLUKE 792A User Manual 10 FLUKE Coporation, (2007), FLUKE 5790A User Manual 72 ... thuật chuẩn điện áp xoay chiều HOLT Model 11 27 Chƣơng NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP DUY TRÌ HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƢỜNG QUỐC GIA ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU Trên sở nghiên cứu lý thuyết Chuẩn điện áp xoay. .. hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều xuống chuẩn điện áp xoay chiều đƣa phƣơng pháp hiệu chuẩn chuẩn điện áp xoay chiều chuẩn phịng thí nghiệm lớn nƣớc Nguồn điện áp chuẩn. .. áp xoay chiều Chƣơng 2: Nghiên cứu xây dựng phương pháp trì hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực điện áp xoay chiều đƣa nghiên cứu chi tiết từ tiến tới xây dựng hoàn chỉnh phƣơng pháp đo/